SiC半導體不同晶面氧化機理及動力學的研究進展

趙春陽，王恩會，侯新梅

北京科技大學鋼鐵共性技術協同創新中心，北京 100083

近年來，世界各國都要求提高電力設備的效率以降低能源消耗. 盡管硅(Si)作為功率半導體器件已獲應用，但受限于其物理特性，Si對功率器件性能的提升已達到極限. 碳化硅(SiC)是一種寬帶隙半導體，相對于Si來講，在功率器件應用中具有更優異的綜合物理性能，如三倍寬帶隙、三倍高導熱性和10倍擊穿電場等[1]. 此外，與Si類似，SiC也可以通過熱氧化在表面生長二氧化硅（SiO2），該產物作為絕緣層在器件制造技術中具有重要的作用. 基于此，SiC已逐步取代Si成為功率器件的優選材料[2].

得益于SiC材料的上述優點，研究者對SiC在金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)中的應用進行了大量的探索[3?4]. MOSFET在結構上是以多晶硅?氧化物層（多為SiO2）?SiC或金剛石[5]為核心，這樣的結構正好等同于一個電容器，中間的SiO2為電容器中介電質，而電容值由SiO2的厚度和介電系數決定. MOSFET廣泛應用于模擬電路和數字電路中，作為柵極絕緣層的SiO2是通過SiC氧化形成的[6?9]. 在應用過程中SiC的通斷電阻明顯高于預期值且其通道遷移率非常低，這是由于不同SiC/SiO2界面處的氧化狀態差異性造成的. 尤其對于非平面的MOSFET器件來說，SiC不同晶面取向上的氧化速率對其結構和性能有重要的影響[2]，因此了解SiC不同晶面取向上的氧化過程顯得尤為重要.

動力學模型是認識和分析材料反應過程的有效工具. 但常規動力學模型都是從SiC整體來考慮氧化問題的……